Wind Direction(weather station)

풍향계(Wind Vane)

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바람이 불어오는 방향을 풍향이라 하는데, 이를 측정하는 장비이다. 

지상 장애물 높이 10배 이상 떨어진 평탄한 곳에서 지상 10m 높이에 설치하는 것이 표준이다.

풍향계는 바람이 오고 있는 방향이 아니라 움직이는 방향을 보여준다.

보통 알고 있는 바람의 방향과 반대를 보여주기에 혼동하기 쉽다.

작동원리

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강우계나 풍속계와 마찬가지로 풍향계도 리드 스위치와 회전하는 자석으로 구성되어 있지만 조금더 복잡하고 다른 방식으로 작동한다.

풍향계를 분해하여 보면 자석이 설치되어 있으며, 하단에는 원형의 기판에 8개의 리드 스위치가 배치되어 있다.

회로 기판에서 북쪽은 검은색의 2개의 클립이 있는 위치이다.

풍향계에는 8개의 저항기가 있으며 자석이 회전함에 따라 다른 리드 스위치가 열리고 닫혀 해당 저항기가 회로 안팎으로 전환된다.

풍향계는 큰 가변 저항처럼 작동한다.

데이터시트의 그림을 확인해보자

전압은 외부 링으로 들어오고 스위치(리드 스위치)를 통해 접지에 연결되어 있는 내부 링으로 흐르는 경로로 이루어져있다.

자석이 회전함에 따라 리드 스위치가 열리고 닫혀서 해당 저항기가 회로 안에서 밖으로 전환된다.

8개의 저항은 각각 다른 값을 가지며, 저항 옆에 저항값이 표시 되어 있다.

자석이 두 개의 리드 스위치를 중간에 닫을 수 있기 때문에 풍향계는 16가지 저항 조합을 가지게 된다.

[ 표1 ]

저항기의 역할

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저항은 전류의 흐름을 멈추지 않고 전류의흐름을 감소시키는 부품이다.

저항기는 서로 다른 저항 값을 가질 수 있으며 Ω으로 표현한다.

낮은 저항을 가진 저항기는 거의 모든 전류를 흐르게하고, 높음 저항을 가진 저항기는 전류를 거의 흐리지 않게 한다.

레지스터의 가장 일반적인 용도는 구성 요소가 너무 높은 전류로 회로에 손상되지 않도록 보호하거나 회로의 다른 부분간에 전압을 나누는 용도로 사용되어진다.

참고 : 

무엇을 측정하는 것인가?

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풍향계가 본질적으로 불륨 노브와 비슷한 가변 저항이라는 것을 이해해야 한다.(단 16개의 위치를 가지는 가변 저항으로 이해)

우리가 측정하는 것은 저항의 결과로 변화하는 전류의 값을 측정하는 것이다.

서로 다른 저항기가 자석에 의해 열리거나 닫히게 되며서 통과하는 전압 레벨이 변화하고 이것을 측정할 수 있다.

강우계와 풍력계는 0V에서 3.3V 사이에서 변하는 전압 레벨로 측정한다. 즉 LOW또는 HIGH의 디지털 신호를 가지고 정보를 이해하면 되었다.

그러나 풍향계는 디지털신호가 아닌 아날로그 신호 즉 low 와 high 의 범위의 모든 전류값을 수용하여야 하는 것이다.

다시 확인하면 풍향계에는 전압이 흐르고 있으며, 이는 리드 스위치와 자석에 의해 저항기가 바뀌거나 바뀌는 저항기에 따라 값이 달라지게 되는 것이다.

이것은 디지털 기계에서 변화하는 아날로그 신호를 측정하여야 한다는 것을 의미한다.

이를 위해서 Analogue to Digital Converter또는 ADC라고 하는 마이크로 칩을 필요로 한다.

보통 Weather Station에서 제공하는 보드에는 내장되어 측정한 데이터를 전송하여 준다.

Arduino에서는 아날로그 입력단자가 있어 측정하기가 단순하지만, Raspberry Pi에는 디지털 입력만 있기에 아날로그 신호를 받아들이려면 ADC를 추가하여야 한다.

가장 많이 사용되는 ADC는 MCP3008이며, 8개의 아날로그 입력을 가진 16핀 집적 회로이다.

10비트의 ADC이므로 2^10 = 1024 의 출력 값을 가질 수 있다. 

예로 5V의 기준 전압에 대해 MCP3008이 감지 할 수 있는 최소 전압 변화는 5V/1023 = 4.88mV이다.

라즈베리파이에서 ADC사용하여 연결하는 자료 : https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station/8

연결 방법

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데이터 시트에 설명되어 있는 배선도를 확인해보겠다.

제품은 RJ11로 연결되어 있으며 풍향계와 풍속계가 같은 RJ11에 배치되어 있다.

그중 중간의 2,3번은 풍속계에 연결되며, 1,4번은 풍향계의 데이터 라인이다. 

풍속계(Anemometer)의 2개이 라인중 하나는 GND에 다른 하나는 GPIO핀에 연결하면 된다.

풍향계는 풍속계와 조금 다른 연결을 가지고 있다.

풍향계에서 2개의 라인중 하나는 GND에 연결 하고 다른 하나는 아날로그포트로 연결하게 되어있다.

아날로그 연결 선에서 중간에 VCC로 연결하여야 한다.

데이터시트에서는 VCC연결 부분에 사용되는 저항을 10k ohms를 가지고 데이터 시트를 구성하고 있다.

데이터 시트 : 80422_datasheet.pdf

[표1]에서 구성되어진 경우 측정되는 전류값에 대한 방향 값을 나타내고 있다.

이 정보를 가지고 풍향을 측정하게 된다.